JP2009294428A - 光源ユニット及びこの光源ユニットを備えたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の拡がり角を入射光よりも小さくすることが可能なライトパイプを備えた光源ユニット及びその光源ユニットを用いたプロジェクタを提供すること。
【解決手段】中空のライトパイプ１０１は四角柱状で、その内壁１０１ａは、光を反射するための金属被膜によって覆われる。ＬＥＤ１０２は、拡がり角ω２を有する光束ＢＭ３を放射する。絞りレンズ１０３は凸レンズで、光軸を中心とした半径Ｒの領域に光束通過孔ＴＨ１が設けられる。光束ＢＭ３は絞りレンズ１０３で屈折されることにより拡がり角ω２が拡がり角ω０まで小さくなる。ＬＥＤ１０２は、拡がり角ω０が拡がり角ω２よりも小さな拡がり角ω１以下になる、即ち｜ω０｜≦｜ω１｜を満たす距離ｓ１だけ絞りレンズ１０３から離れた位置に配置される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、出射光の拡がり角を入射光の拡がり角よりも小さくすることが可能なライトパイプを備えた光源ユニット、及びこの光源ユニットを備えたプロジェクタに関する。

今日、画像をスクリーン等に投影して表示するプロジェクタが、広く知られている。プロジェクタは、大画面に画像を投影できるため、例えば会議におけるプレゼンテーション等、大勢で画像を見る用途において頻繁に用いられる。一般にプロジェクタにおいては、光源からの光が液晶等の光変調素子に入射し、この光変調素子上に形成された画像が投影レンズによってスクリーン等に拡大投影される。

プロジェクタには様々な光源が用いられるが、従来から最も多く利用されてきたのは、放電によって気体を励起し、その気体から放射される輝線を利用した高圧水銀灯等のＨｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｄｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（以下、ＨＩＤ）ランプであった。ＨＩＤランプは、消費電力が多く、高熱を発するためにランプ周辺の機器に悪影響を与えることがある。また、放電を行う電極が摩耗するため、寿命がプロジェクタを構成する他の部品と比較して短く、典型的には数千時間程度である。近年、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；以下、ＬＥＤ）が、プロジェクタ用の光源として用いられるようになってきた。ＬＥＤは、ＨＩＤランプと比較して、（１）消費電力が少ない、（２）発熱が少ない、（３）寿命が長い、という利点があるため、今後プロジェクタ用の光源としての利用が広がると考えられる。

光変調素子が受け取る光は、照度分布が一様であることが望まれる。なぜなら、光変調素子が受け取る光の照度ムラは、形成される画像の輝度ムラとして残るためである。しかし、ＬＥＤから放射される光は等方的ではなく、その強度は放射方向によって変化する。従って、ＬＥＤから放射された光をレンズ等で集光して光変調素子に入射させる際に、一様な照度分布を得ることは困難である。そこで、例えば特許文献１において、ＬＥＤからの光は、内壁に反射面を備えた柱状の光学素子であるライトパイプに入射する。ライトパイプの光入射面から内部に入射した光は、ライトパイプの内壁で複数回反射することで、ライトパイプの光出射面から略一様な輝度分布を持つ光として出射する。ライトパイプから出射した光は、集光レンズによって光変調素子上に焦点を結ぶ。言い換えれば、ライトパイプの光出射面は、略一様な輝度分布を持つ面光源と見なすことが可能で、集光レンズは、その面光源の像を光変調素子上に結像する。
特開２００３−２６２７９５号公報

特許文献１には、略一様な照度分布を有する光を出射するために、四角柱状のライトパイプを利用する技術が開示される。しかし、四角柱状のライトパイプは、光の利用効率の点において問題を有する。以下、その問題について、図１を用いて説明する。四角柱状のライトパイプ５０１は、ＬＥＤから拡がり角Ｕ０で放射された光束を取り込み、その拡がり角Ｕ０を保ったまま光束を放射する。ライトパイプ５０１から放射された光束は、集光レンズ５１０によって集光され、その拡がり角Ｕ０を拡がり角Ｕ２に変えて光変調素子５２０に入射する。この拡がり角Ｕ２は、光変調素子５２０から放射される画像光においても保存される。しかし、この画像光の全てがスクリーン上に結像する光として利用されるとは限らない。最終的にスクリーン上に結像する画像光として利用される光束の拡がり角Ｕ３は、光変調素子５２０の後段に存在する結像光学系の仕様、例えば結像レンズの口径や結像される画像の大きさ及び解像度等によって決定される。図１においては、拡がり角Ｕ３よりも大きな拡がり角Ｕ２を有する図１の影付き部分の光束は、最終的に画像光として利用されない。即ち、ライトパイプ５０１からの出射光束は、拡がり角Ｕ３に対応した拡がり角Ｕ１までしか利用されない。しかし、ＬＥＤが放射する光束の拡がり角は比較的大きいため、Ｕ０＞Ｕ１となる場合が多い。そのため、結果として光の利用効率が低下する。ＬＥＤから放射される光束の拡がり角がＬＥＤの特性によって決まっている以上、光の利用効率を向上するためには、ライトパイプから出射する光の拡がり角を入射する光の拡がり角よりも小さくする技術が望まれる。

本発明は、出射光の拡がり角を入射光よりも小さくすることが可能なライトパイプを備えた光源ユニット及びその光源ユニットを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光入射面から入射する光を内壁面で反射し、前記光入射面と対向する光出射面から光を出射する中空のライトパイプと、そのライトパイプに光を入射するために、拡がり角ω２にて光を放射する固体光源と、前記光出射面から出射する光の拡がり角を前記拡がり角ω２よりも小さな拡がり角ω１以下にするために、前記固体光源から放射された光が前記光出射面に至るまでに通過する光通過経路の所定の位置に設けられる光学素子と、を備え、前記光学素子は、０又は正の屈折力を有する中心部と、その中心部よりも大きな屈折力を有し、光軸方向と直交する方向において前記中心部よりも外縁に位置する外縁部と、を含み、前記外縁部によって屈折された前記固体光源からの光の拡がり角ω０が｜ω０｜≦｜ω１｜を満たす前記固体光源からの距離ｓ１の位置に設けられる、ことを特徴とする。

光の拡がり角とは、ある光束を考えたときに、その光束の最も拡がった成分の光線と光軸との成す角の意味である。屈折力とは、光の拡がり角を変化させる能力のことで、この値が大きな光学素子ほど、入射光束の拡がり角の変化量が多い。屈折力が正の値の光学素子は、入射光束の拡がり角を収束方向、即ち光軸に近づく方向に変化させる。屈折力が負の値の光学素子は、入射光束の拡がり角を拡散方向、即ち光軸から遠ざかる方向に変化させる。そして、屈折力が「０」の光学素子は、光の拡がり角を変化させない。屈折力の具体的な例を挙げれば、例えばレンズにおけるディオプター等である。ディオプターとは、メートル単位における焦点距離の逆数で、レンズの光を屈折する能力を表す。ディオプターが大きなレンズほど、入射した光をより大きく屈折することができる。

請求項２に記載の発明は、光入射面から入射する光を内壁面で反射し、前記光入射面と対向する光出射面から光を出射する中空のライトパイプと、そのライトパイプに光を入射するために、拡がり角ω２にて光を放射する固体光源と、前記光出射面から出射する光の拡がり角を前記拡がり角ω２よりも小さな拡がり角ω１以下にするために、前記ライトパイプ内部に設けられる光学素子と、を備え、前記光学素子は、０又は正の屈折力を有する中心部と、その中心部よりも大きな屈折力を有し、光軸方向と直交する方向において前記中心部よりも外縁に位置する外縁部と、を含み、前記外縁部によって屈折された前記固体光源からの光の拡がり角ω０が｜ω０｜≦｜ω１｜を満たす前記固体光源からの距離ｓ１の位置に設けられる、ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記光学素子は、凸レンズであり、前記屈折力は、前記中心部及び前記外縁部のそれぞれの焦点距離の逆数で表されるディオプターである、ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記距離ｓ１は、前記外縁部の焦点距離に略等しい、ことを特徴する。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、前記中心部は、光軸を中心とした半径Ｒの領域であり、その半径Ｒは、Ｒ＝ｓ１×ｔａｎ（ω１）を満たす、ことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、前記中心部は、前記光学素子に設けられた貫通孔である、ことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の発明において、前記中心部は、前記外縁部と一体に形成され、光が入射する第１の面と光が出射する第２の面とを有し、前記第１および第２の面が互いに対向するとともに光軸に直交する一対の平面である、ことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項２から６のいずれか１項に記載の発明において、前記固体光源は、前記光入射面に密着して設けられる、ことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の光源ユニットと、光を変調して画像光を形成する光変調素子と、前記光源ユニットからの光を集光して前記光変調素子に入射させるための集光光学部と、前記画像光を被投影面に結像させるための結像光学部と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明において、固体光源から拡がり角ω２で拡がる光束は、その一部が光学素子の外縁部に入射する。外縁部に入射した光束は、拡がり角がω０になるように屈折される。そして、拡がり角ω０は、拡がり角ω２よりも小さな拡がり角ω１に対して｜ω０｜≦｜ω１｜を満たす。従って、ライトパイプから出射する光の拡がり角が小さくなり、光の利用効率が向上する。また、ライトパイプの本来の目的は、入射する光を均一にして出射することである。そして、入射した光が内壁面で反射される回数が多いほど、出射光はより均一になる。請求項１に記載の発明では、中心部の屈折力は外縁部よりも小さいので、中心部に入射する光束の拡がり角の変化量は、外縁部に入射する光束よりも少ない。仮に中心部が存在しなければ、本来中心部に入射する筈の光束の拡がり角は、外縁部に入射する光束と同じように小さくなる。この場合、入射光の内壁面による反射回数が減少し、中心部が存在している場合と比較して出射光があまり均一化されない可能性がある。即ち、請求項１に記載の発明は、外縁部によって光の利用効率の向上を図り、中心部によって出射光の均一化を図る。

請求項２に記載の発明では、光学素子をライトパイプの内部に設置することにより、光学素子を通過した光が、漏れなくライトパイプ内に取り込まれる。また、光学素子とライトパイプとをユニット化し、取り扱いを容易にできる。

固体光源から放射されて光学素子に入射する光束のうち、拡がり角の大きな部分は、光学素子の光軸から大きく離れた位置に入射する。ライトパイプから出射する光の拡がり角を小さくするためには、この拡がり角の大きな部分が大きく曲げられる必要がある。請求項３に記載の発明では、光学素子としてレンズが用いられる。レンズは焦点を有するので、光軸から大きく離れた位置に入射する光ほど大きく曲げられる。従って、効率よくライトパイプから出射する光の拡がり角を小さくすることができる。

請求項４の発明では、固体光源と光学素子との距離ｓ１が、外縁部の焦点距離に略等しい。従って、固体光源から放射される光束のうち外縁部に入射する光束が略平行光線になるので、外縁部によって屈折される光束の拡がり角が最小になる。

固体光源から放射される光束のうち、拡がり角ω１を有する光束成分は、拡がり角がそのままであっても、後段の光学系で利用可能である。請求項５の発明では、中心部が光軸を中心とした半径Ｒ＝ｓ１×ｔａｎ（ω１）の領域なので、固体光源から放射される光束のうち、拡がり角ω１を有する光束成分が中心部を通過する。中心部の半径が半径Ｒよりも小さければ、本来拡がり角を小さくする必要のない光束成分まで外縁部によって屈折される。拡がり角が小さくされた屈折光については、ライトパイプの内壁で光が反射される回数は減少し、出射光があまり均一化されない可能性がある。一方、中心部の半径が半径Ｒよりも大きければ、拡がり角ω１よりも大きな拡がり角を有する光束が中心部を通過するので、ライトパイプからの出射光の拡がり角が拡がり角ω１よりも大きくなる。即ち、中心部の半径が半径Ｒ＝ｓ１×ｔａｎ（ω１）を満たす構成は、出射光の拡がり角を小さくする能力と出射光を均一化する能力とを両立させるベストモードである。

請求項６に記載の発明において、中心部は、光学素子に設けられた貫通孔である。中心部の屈折力は「０」なので、中心部に入射した光束は屈折されず、その拡がり角は維持される。従って、出射光をより均一にすることが可能になる。

請求項７に記載の発明において、中心部は、光が入射する面と光が出射する面とが互いに対向するとともに光軸に直交する一対の平面である。中心部の屈折力は「０」なので、中心部に入射した光束は屈折されずに拡がり角を維持する。従って、出射光をより均一にすることが可能になる。

請求項８に記載の発明では、固体光源が光入射面に密着して設けられるので、固体光源から放射される光を漏れなく利用することができ、光の利用効率が上がる。

請求項９に記載の発明では、上述の光源ユニットを用いることにより、明るさのムラが少なく、従来よりも明るい画像を投影可能なプロジェクタが得られる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について詳述する。

＜第１の実施形態＞
[全体光路図]
図２は、本発明の第１の実施形態に係る光源ユニット１００及びその光源ユニット１００より後段の光学系を表した模式図である。光源ユニット１００は、ライトパイプ１０１、ＬＥＤ１０２及び絞りレンズ１０３で構成される。光源ユニット１００は、ＬＥＤ１０２から放射された拡がり角ω２の光束を光入射面ＥＮＴからライトパイプ１０１の内部に取り入れ、拡がり角ω１の光束を光出射面ＥＸＴから略均一な輝度で出射するように構成される。ライトパイプ１０１の光軸に直交する断面の形状は、光入射面ＥＮＴから光出射面ＥＸＴに至るまで、全ての箇所において同一である。また、その断面形状は、光変調素子１２０の表示有効領域の形状と相似形である。光源ユニット１００からの出射光は、集光レンズ１１０によって、光変調素子１２０上に集光される。光変調素子１２０は、例えば液晶素子又はＤｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ）素子により構成され、入射した光を画像光に変調する。光変調素子１２０からの画像光は、結像レンズ１３０によってスクリーン１０００上に画像として結像する。集光レンズ１１０及び結像レンズ１３０は、複数のレンズによって構成されるレンズ群であっても良いが、ここでは簡単のために一枚のレンズで表現する。尚、前記したライトパイプ１０１、ＬＥＤ１０２及び絞りレンズ１０３が、本発明のライトパイプ、固体光源及び光学素子の一例である。

光出射面ＥＸＴから出射する光束の拡がり角ω１は、光源ユニット１００より後段の光学系、即ち集光レンズ１１０、光変調素子１２０及び結像レンズ１３０において利用可能な光束の拡がり角に等しくなるように設定される。拡がり角ω１は、以下の様にして後段の光学系の要請により決定される。集光レンズ１１０は、光出射面ＥＸＴの像を、光変調素子１２０上に結像する。光を効率的に利用するには、集光レンズ１１０によって拡大・縮小された光出射面ＥＸＴの実像が、光変調素子１２０の表示有効領域の形状に一致すればよい。光変調素子１２０の表示有効領域及び光出射面ＥＸＴのサイズは決まっているので、倍率β１が決定される。倍率β１は、拡がり角ω１、光変調素子１２０に入射する光束の拡がり角ω３、光出射面ＥＸＴから集光レンズ１１０までの距離ｓ２及び集光レンズ１１０から光変調素子１２０までの距離ｓ３を用いて、

と表せる。光変調素子１２０から出射する光束は、光変調素子１２０に入射する光束と同一の拡がり角を有し、全てスクリーン１０００上に結像する画像光として利用可能であるとする。ここで、画像光として利用可能な光束の拡がり角、即ち光変調素子１２０から出射する光束の拡がり角ω３は、結像レンズ１３０の仕様、即ち結像レンズ１３０の口径やスクリーン１０００上に結像される画像の大きさ及び解像度等によって決定される。従って、式１においてω３及びβ１が決定されるので、拡がり角ω１が決定される。仮に光出射面ＥＸＴから出射する光束の拡がり角がω１よりも大きいと、ω１よりも広がった光束成分は、最終的に画像としてスクリーン１０００上に結像せず、光の利用効率が低下する。

[光源ユニット構成]
図３〜図５は本発明の第１の実施形態に係る光源ユニット１００の断面模式図であり、図６はＬＥＤ１０２を取り除いた状態の光源ユニット１００を光軸に沿って見た図である。ライトパイプ１０１は四角柱状の外形を示し、その内部は中空である。ライトパイプ１０１は、ガラス板を貼り合わせることで構成される。但し、ガラス以外の無機材料や、プラスチック等の樹脂材料、金属材料、セラミックス等で構成されてもよい。ライトパイプ１０１の内壁１０１ａは、光を反射するための被膜によって覆われる。この被膜は、例えばＡｇ、Ａｌ等の、可視光域における反射率が光の波長に殆ど依存しない金属を蒸着することによって得られる。但し、メッキ等の他の方法によって被膜が形成されても良い。絞りレンズ１０３は、ライトパイプ１０１の断面形状と同一の断面形状を有し、接着剤等によって内壁１０１ａに固定される。絞りレンズ１０３は、焦点距離ｆ１を有する凸レンズである。即ち、絞りレンズ１０３は、正のディオプターを有する。絞りレンズ１０３の光軸を中心とした半径Ｒの領域には、光束が通過するための孔である光束通過孔ＴＨ１が設けられる。絞りレンズ１０３は、アクリル等の透明樹脂で構成される樹脂レンズで、射出成型によって形成される。但し、ガラスモールド法によって形成されたレンズが用いられても良い。絞りレンズ１０３は、フレネル反射による光の損失を防ぐために、可視光域における反射率を低減させる反射防止膜を有するのが望ましい。ＬＥＤ１０２は、光入射面ＥＮＴに密着するように、接着剤等でライトパイプ１０１に固定される。ＬＥＤ１０２が固定される位置は、絞りレンズ１０３から光入射面ＥＮＴ側に距離ｓ１離れている。ＬＥＤ１０２は、拡がり角ω２を有する光束ＢＭ３を放射する。ライトパイプ１０１、ＬＥＤ１０２及び絞りレンズ１０３は、それぞれの光軸が光軸ＬＡＸ２に一致するように配置される。尚、前記した絞りレンズ１０３は、本発明の光学素子の一例であるとともに外縁部の一例でもある。また、前記した光束通過孔ＴＨ１は、本発明の中心部の一例である。

[距離ｓ１の満たすべき条件]
図３〜図５を用いて、ＬＥＤ１０２から放出される光束ＢＭ３の拡がり角ω２が、どの様にして小さくなるかを説明する。まず、光束ＢＭ３の、絞りレンズ１０３に入射する光束成分について考える。絞りレンズ１０３に入射した光束成分は屈折され、その拡がり角が拡がり角ω０に減少する。拡がり角ω０が、光源ユニット１００より後段の光学系で利用可能な光束の拡がり角ω１よりも小さくなれば、即ち拡がり角ω０が

を満たせば、光束ＢＭ３の絞りレンズ１０３に入射した光束成分は、全て後段の光学系で利用される。拡がり角ω０が式２を満たすためには、距離ｓ１にある程度の条件が必要となる。絞りレンズ１０３の焦点距離をｆ１として、（１）ｓ１＜ｆ１、（２）ｓ１＝ｆ１、（３）ｓ１＞ｆ１、の、３つの場合において、式２が満たされるために距離ｓ１にどのような条件が必要になるかを説明する。

まず、図３に表される前記した（１）の場合、即ちＬＥＤ１０２が絞りレンズ１０３の焦点距離ｆ１よりも近い位置に配置される場合、ＬＥＤ１０２の虚像ＶＩが絞りレンズ１０３によって形成される。絞りレンズ１０３から虚像ＶＩまでの距離をｓ０と表すと、結像の式より、

が成立する。このとき、倍率β２は、

と表される。式４をω０が左辺に来るように変形し、式３を代入することで、

が得られる。式５より、拡がり角ω０がω１以下になるために、距離ｓ１は、

を満たせば良い。

次に、図４に表される前記した（２）の場合、即ちＬＥＤ１０２が絞りレンズ１０３の焦点距離ｆ１に配置される場合、光束ＢＭ３の絞りレンズ１０３に入射する光束成分は、略平行光に変換される。この場合、拡がり角ω０が最小値、即ちω０＝０となるため、式２は満たされる。

最後に、図５に表される前記した（３）の場合、即ちＬＥＤ１０２が絞りレンズ１０３の焦点距離ｆ１よりも遠い距離に配置される場合、光束ＢＭ３の絞りレンズ１０３に入射する光束成分は焦点を結ぶ。絞りレンズ１０３から焦点位置までの距離をｓ０と表すと、結像の式より、

が成立する。このとき、倍率β２は、前記した式４で表される。式４をω０が左辺に来るように変形し、式７を代入することで、

が得られる。式８より、拡がり角ω０がω１以下になるために、距離ｓ１は、

を満たせば良い。以上より、拡がり角ω０が式２を満たすためには、距離ｓ１が、

を満たせば良い。そして、ｓ１＝ｆ１の場合、式５又は式８より、拡がり角ω０は最小値である０になる。

光束ＢＭ３の一部の光束成分である光束ＢＭ４について考える。光束ＢＭ４は、光束通過孔ＴＨ１を通過した後に、ライトパイプ１０１から出射する。光束ＢＭ４が全て後段の光学系で利用されるためには、光束ＢＭ４の光束通過孔ＴＨ１を通過した後の拡がり角が、拡がり角ω１に等しくなれば良い。従って、光束透過孔ＴＨ１は、光束ＢＭ４の光束通過孔ＴＨ１を通過した後の拡がり角が拡がり角ω１に等しくなるような形状を有しているのが望まれる。本実施形態において、光束通過孔ＴＨ１は、光束ＢＭ４の拡がり角を変化させないディオプターが「０」の領域であると見なせる。従って、図３〜図５から明らかに、光束ＢＭ４の拡がり角が拡がり角ω１と等しくなる光束通過孔ＴＨ１の半径Ｒは、

であればよい。半径Ｒが式１１の右辺よりも大きい場合、光束ＢＭ４の拡がり角がω１よりも大きくなるので、光束ＢＭ４の一部は後段の光学系で利用されずに無駄になる。一方、半径Ｒが式１１の右辺よりも小さい場合、光束ＢＭ４の拡がり角がω１よりも小さくなる。この場合、光束ＢＭ４は全て後段の光学系で利用されるけれども、拡がり角が小さいために光束ＢＭ４が内壁１０１ａで反射される回数が減少する。従って、ライトパイプ１０１の出射光を均一化する能力が低下する恐れがある。仮に、光束通過孔ＴＨ１の形状が式１１を満たさなくても、絞りレンズ１０３が存在するために、出射光の拡がり角を入射光よりも小さくするという本発明の目的は果たされる。しかし、式１１を満たす光束通過孔ＴＨ１の形状は、出射光の拡がり角を小さくする能力と出射光を均一化する能力とを両立させる、本発明のより望ましい形態である。

＜第２の実施形態＞
[光源ユニット構成]
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、図１に表される光源ユニット１００より後段の光学系は同一である。しかし、本実施形態における光源ユニット２００の構成は、第１の実施形態における光源ユニット１００と異なる。ここでは、第２の実施形態における光源ユニット２００の構成を、図７を用いて説明する。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る光源ユニット２００の断面模式図である。本実施形態において、ライトパイプ１０１及びＬＥＤ１０２の構成は、第１の実施形態と同一である。本実施形態の特徴は、第１の実施形態で用いられた絞りレンズ１０３の代わりに、絞りレンズ２０３が用いられる点にある。絞りレンズ２０３は、光軸を中心とした半径Ｒの領域である平行平板部２０３ａと、光軸ＬＡＸ３の方向と直交する方向において平行平板部２０３ａよりも外縁に位置するレンズ部２０３ｂとで構成される。平行平板部２０３ａは、光が入射する面と光が出射する面とを有し、この２つの面が互いに対向するとともに光軸ＬＡＸ３に直交する一対の平面である。レンズ部２０３ｂは、絞りレンズ１０３と同様に、焦点距離ｆ１を有する凸レンズである。平行平板部２０３ａ及びレンズ部２０３ｂは、一体に形成される。絞りレンズ２０３の材質及び製造方法は、第１の実施形態における絞りレンズ１０３と同様である。ＬＥＤ１０２は、光入射面ＥＮＴに密着するように、接着剤等でライトパイプ１０１に固定される。ＬＥＤ１０２が固定される位置は、絞りレンズ２０３から光入射面ＥＮＴ側に距離ｓ１離れている。ライトパイプ１０１、ＬＥＤ１０２及び絞りレンズ２０３は、それぞれの光軸が光軸ＬＡＸ３に一致するように配置される。尚、前記した絞りレンズ２０３、平行平板部２０３ａ及びレンズ部２０３ｂが、本発明の光学素子、中心部及び外縁部の一例である。

ＬＥＤ１０２から放射される光束ＢＭ５は、拡がり角ω２を有する。ここで、光束ＢＭ５の、レンズ部２０３ｂに入射する光束成分について考える。レンズ部２０３ｂに入射した光束成分は屈折され、その拡がり角が拡がり角ω０に減少する。レンズ部２０３ｂの構成は、第１の実施形態における絞りレンズ１０３の構成と同様である。従って、図７に示される距離ｓ１が焦点距離ｆ１よりも短い場合、光束ＢＭ５のレンズ部２０３ｂに入射する光束成分は、第１の実施形態における光束ＢＭ３の絞りレンズ１０３に入射する光束成分と同様の振る舞いを示す。これは、距離ｓ１が焦点距離ｆ１に等しい場合においても、距離ｓ１が焦点距離ｆ１よりも長い場合においても、同様である。従って、拡がり角ω０が前記した式２を満たすためには、距離ｓ１が、第１の実施形態と同様に前記した式１０を満たせば良い。

光束ＢＭ５の一部の光束成分である光束ＢＭ６について考える。光束ＢＭ６は、平行平板部２０３ａを通過する。平行平板部２０３ａは光軸ＬＡＸ３に直交する平行平板なので、光束ＢＭ６は、その拡がり角を維持したままライトパイプ１０１から出射する。即ち、平行平板部２０３ａは、光束ＢＭ６の拡がり角を変化させないディオプターが「０」の領域である。従って、光束ＢＭ６の拡がり角が拡がり角ω１に等しくなるためには、半径Ｒが、第１の実施形態と同様に前記した式１１を満たせば良い。

＜第３の実施形態＞
[光源ユニット構成]
本発明の第３の実施形態は、第１の実施形態と比較して、図１に表される光源ユニット１００より後段の光学系は同一である。しかし、本実施形態における光源ユニット３００の構成は、第１の実施形態における光源ユニット１００と異なる。ここでは、第３の実施形態における光源ユニット３００の構成を、図８を用いて説明する。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る光源ユニット３００の断面模式図である。本実施形態において、ライトパイプ１０１及びＬＥＤ１０２の構成は、第１の実施形態と同一である。本実施形態の特徴は、第１の実施形態で用いられた絞りレンズ１０３の代わりに、絞りプリズム３０３を用いる点にある。絞りプリズム３０３は、頂角方向に設けられた面３０３ａが内壁１０１ａに接するように、接着剤等によって内壁１０１ａに固定される。従って、絞りプリズム３０３に入射した光は、光軸ＬＡＸ４に近づく方向に曲げられる。絞りプリズム３０３は、光軸ＬＡＸ４に対して対称になるように、四角柱状のライトパイプ１０１の四面全ての内壁に設けられる。絞りプリズム３０３に囲まれた光軸ＬＡＸ４を中心とする半径Ｒの領域が、光束が通過するための光束通過孔ＴＨ２である。絞りプリズム３０３の材質及び製造方法は、第１の実施形態における絞りレンズ１０３と同様である。ＬＥＤ１０２は、光入射面ＥＮＴに密着するように、接着剤等でライトパイプ１０１に固定される。ＬＥＤ１０２が固定される位置は、絞りプリズム３０３から光入射面ＥＮＴ側に距離ｓ１離れている。ライトパイプ１０１及びＬＥＤ１０２は、それぞれの光軸が光軸ＬＡＸ４に一致するように配置される。尚、前記した絞りプリズム３０３、光束通過孔ＴＨ２が、本発明の光学素子及び外縁部、中心部の一例である。

ＬＥＤ１０２から放射される光束ＢＭ７は、拡がり角ω２を有する。ここで、光束ＢＭ７の、絞りプリズム３０３に入射する光束成分について考える。絞りプリズム３０３に入射した光束成分は屈折され、その拡がり角が拡がり角ω０に減少する。即ち、絞りプリズム３０３は、入射した光束の拡がり角を小さくするので、正の屈折力を有すると見なせる。この光束成分が光源ユニット３００より後段の光学系で全て利用されるには、ＬＥＤ１０２と絞りプリズム３０３との距離ｓ１が、前記した式２を満たすように適宜設定されれば良い。

光束ＢＭ７の一部の光束成分である光束ＢＭ８について考える。光束ＢＭ８は、光束通過孔ＴＨ２を通過し、その拡がり角を維持したままライトパイプ１０１から出射する。即ち、光束通過孔ＴＨ２は、光束ＢＭ８の拡がり角を変化させない屈折力が「０」の領域と見なせる。従って、光束ＢＭ８の拡がり角が拡がり角ω１に等しくなるためには、半径Ｒが、第１の実施形態と同様に前記した式１１を満たせば良い。

＜第４の実施形態＞
[光源ユニット構成]
本発明の第４の実施形態は、第３の実施形態と比較して、光源ユニット３００より後段の光学系は同一である。しかし、本実施形態における光源ユニット４００の構成は、第３の実施形態における光源ユニット３００と異なる。ここでは、第４の実施形態における光源ユニット４００の構成を、図９を用いて説明する。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る光源ユニット４００の断面模式図である。本実施形態において、ライトパイプ１０１及びＬＥＤ１０２の構成は、第３の実施形態と同一である。本実施形態の特徴は、第３の実施形態で用いられた絞りプリズム３０３の代わりに、絞りプリズム４０３を用いる点にある。絞りプリズム４０３は、光軸ＬＡＸ５を中心とした半径Ｒの領域である平行平板部４０３ａと、光軸方向と直交する方向において平行平板部４０３ａよりも外縁に位置するプリズム部４０３ｂとで構成される。プリズム部４０３ａは、第３の実施形態における絞りプリズム３０３と同様に、その頂角方向に設けられた面４０３ｂ１が内壁１０１ａに接するように、接着剤等によって内壁１０１ａに固定される。プリズム部４０３ａは、光軸ＬＡＸ５に対して対称になるように、四角柱状のライトパイプ１０１の四面全ての内壁に設けられる。平行平板部４０３ａは、光が入射する面と光が出射する面とを有し、この２つの面が互いに対向するとともに光軸ＬＡＸ５に直交する一対の平面である。平行平板部４０３ａ及びプリズム部４０３ｂは、一体に形成される。絞りプリズム４０３の材質及び製造方法は、第１の実施形態における絞りレンズ１０３と同様である。ＬＥＤ１０２は、光入射面ＥＮＴに密着するように、接着剤等でライトパイプ１０１に固定される。ＬＥＤ１０２が固定される位置は、絞りプリズム４０３から光入射面ＥＮＴ側に距離ｓ１離れている。ライトパイプ１０１及びＬＥＤ１０２は、それぞれの光軸が光軸ＬＡＸ５に一致するように配置される。尚、前記した絞りプリズム４０３、平行平板部４０３ａ及びプリズム部４０３ｂが、本発明の光学素子、中心部及び外縁部の一例である。

ＬＥＤ１０２から放射される光束ＢＭ９は、拡がり角ω２を有する。ここで、光束ＢＭ９の、プリズム部４０３ｂに入射する光束成分について考える。プリズム部４０３ｂは、第３の実施形態における絞りプリズム３０３と同様の構成である。従って、この光束成分が光源ユニット４００より後段の光学系で全て利用されるには、ＬＥＤ１０２と絞りプリズム４０３との距離ｓ１が、前記した式２を満たすように適宜設定されれば良い。

光束ＢＭ９の一部の光束成分である光束ＢＭ１０について考える。光束ＢＭ１０は、平行平板部４０３ａを通過する。平行平板部４０３ａは、第２の実施形態における平行平板部２０３ａと同様の構成である。従って、光束ＢＭ６の拡がり角がω１に等しくなるためには、半径Ｒが前記した式１１を満たせば良い。

＜第５の実施形態＞
[プロジェクタにおける利用]
図１０は、本発明の実施形態に係るプロジェクタ１の光学系構成を示す模式図である。プロジェクタ１の光学系は、前記した光源ユニット１００、カラーホイール１００１、集光レンズ群１００２、内部全反射プリズム１００３、ＤＭＤ素子１００４及び結像レンズ群１００５によって構成される。以下、光源ユニット１００から放射される光の進行経路にそって、各要素を説明する。尚、前記した光源ユニット１００、集光レンズ群１００２、ＤＭＤ素子１００４及び結像レンズ群１００５が、本発明の光源ユニット、集光光学部、光変調素子及び結像光学部の一例である。

光源ユニット１００は、白色ＬＥＤを備える。白色ＬＥＤから放射された光は、ライトパイプ１０１内に設けられた絞りレンズ１０３によってその拡がり角を縮小され、ライトパイプ１０１から出射した後に、カラーホイール１００１に入射する。カラーホイール１００１は、赤，緑，青に対応する波長の光を透過する３種類のフィルタを備える。回転するカラーホイール１００１に入射した光は、時分割で赤，緑，青の光として集光レンズ系１００２に入射する。集光レンズ群１００２で集光された光は、内部全反射プリズム１００３を通過した後に、ＤＭＤ素子１００４に入射する。

ＤＭＤ素子１００４に焦点を結んだ光は、ＤＭＤ素子１００４によって画像光に変調される。ＤＭＤ素子１００４は、マトリクス状に配置された微細なミラーを有し、この微細なミラーが各画素に相当する。ＤＭＤ素子１００４の各ミラーの傾きは二値化されており、ＤＭＤ素子１００４に入射した光のオン／オフ切り替え制御が可能である。即ち、ＤＭＤ素子１００４は、入射光が結像レンズ群１００５に入射する方向に反射されるようにミラーを傾けたオンの状態と、入射光が結像レンズ群１００５に入射しない方向に反射されるようにミラーを傾けたオフの状態との、２つの状態を取ることが可能である。また、オンの時間とオフの時間との比率によって光の階調を変化させられるので、画像データに基づいた階調表示が可能になる。ＤＭＤ素子１００４によって画像光として変調された光は、内部全反射プリズム１００３によって反射され、結像レンズ群１００５に入射する。その後、画像光は、結像レンズ群１００５によって所定の方向に向かって拡げられ、スクリーン１０００に結像される。

＜変形例＞
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその変形の一例を述べる。

前記した実施形態において、光束通過孔ＴＨ１，ＴＨ２、平行平板部２０３ａ，４０３ａは、入射した光束の拡がり角を変化させない、屈折力が「０」の領域である。しかし、これらの屈折力が「０」の領域の代わりに、正の屈折力を有する領域が設けられても良い。正の屈折力を有する領域に入射した光束の拡がり角は小さくなる。従って、正の屈折力を有する領域を通過した光の拡がり角が拡がり角ω１となるためには、この領域が前記した式１１で定められる半径Ｒよりも大きな半径を有する必要がある。但し、出射光の均一化を図るためには、これらの領域の屈折力は、その外縁に存在する絞りレンズ又は絞りプリズムの屈折力よりも小さい必要がある。

前記した実施形態において、光束通過孔ＴＨ１，ＴＨ２、平行平板部２０３ａ，４０３ａは、光軸を中心とする半径Ｒの領域である。しかし、これらの領域は、他の形状であっても良い。その一例として、ＬＥＤを取り除いた状態で光軸に沿った方向から光源ユニット５００を見た図１１を示す。光源ユニット５００は、ライトパイプ１０１と、絞りレンズ５０３と、図示しないＬＥＤとで構成される。ここで、絞りレンズ５０３に設けられた光束通過孔ＴＨ３は、光軸を中心とした四角柱状の領域である。光束通過孔又は平行平板部は、この例以外にも、多角形や楕円等様々な形状であって良い。要は、光束通過孔又は平行平板部を通過した後の光束の拡がり角が、拡がり角ω１に等しくなれば良い。

前記した実施形態において、絞りレンズ及び絞りプリズムは、ライトパイプの内部に設けられる。しかし、絞りレンズ及び絞りプリズムが、ライトパイプの外側、即ち図３から図８において光入射面ＥＸＴよりも左側に設けられても良い。

前記した実施形態において、光源ユニットの構成要素としてＬＥＤが用いられる。しかし、ＬＥＤは本発明の固体光源の一例であり、例えば有機ＥＬやレーザーダイオード等がＬＥＤの代わりに用いられても良い。

前記した実施形態において、ライトパイプ１０１の光軸に直交する断面の形状は、光入射面ＥＮＴから光出射面ＥＸＴに至るまで、全ての箇所において同一である。言い換えれば、対向する内壁１０１ａ同士は、平行である。しかし、光入射面ＥＮＴと光出射面ＥＸＴとの形状が異なるライトパイプ、即ちテーパーを有するライトパイプが用いられても良い。

前記した第５の実施形態では、白色ＬＥＤを備えた光源ユニットとカラーホイールとを組み合わせることで、赤，青，緑の光の三原色を得る。しかし、例えば特許文献１の様に、白色ＬＥＤの代わりに赤，緑，青の三色のＬＥＤが一体として光源ユニットに備えられ、それらが順番に発光することで、時分割で赤，緑，青の光が得られる様な構成でも良い。この構成であれば、カラーホイールが不要になる。

前記した第５の実施形態では、光変調素子としてＤＭＤ素子１００４が用いられる。しかし、例えば反射型液晶表示素子や透過型液晶表示素子等が、ＤＭＤ素子の代わりに用いられてもよい。光変調素子の枚数も１枚に限定されず、３個の光変調素子を用いて赤，緑，青の３色に対応させる、所謂３板方式であってもよい。３板方式の光学系の構成としては、例えば特開２００６−２２１９５４号公報の図７に示される様な光学系が挙げられる。３板方式が採用される場合、各光変調素子に対してそれぞれ対応する色のＬＥＤを備える光源ユニットが設けられる。即ち、赤色ＬＥＤを備えた光源ユニットと、緑色ＬＥＤを備えた光源ユニットと、青色ＬＥＤを備えた光源ユニットとの、３種類の光源ユニットが用いられる。

ライトパイプから放射される光束の内、光変調素子で利用可能な範囲を示した模式図。 第１の実施形態に係る、光源ユニット１００及びその光源ユニット１００より後段の光学系を表した模式図。 ｓ１＜ｆ１の場合における、光線の様子を表した光源ユニット１００の断面模式図。 ｓ１＝ｆ１の場合における、光線の様子を表した光源ユニット１００の断面模式図。 ｓ１＞ｆ１の場合における光線の様子を表した光源ユニット１００の断面模式図。 ＬＥＤ１０２を取り除いた状態で、光軸に沿った方向から光源ユニット１００を見た図。 第２の実施形態に係る、光源ユニット２００の断面模式図。 第３の実施形態に係る、光源ユニット３００の断面模式図。 第４の実施形態に係る、光源ユニット４００の断面模式図。 第５の実施形態に係る、プロジェクタ１の光学系概要を示す模式図。 光軸に沿った方向から光源ユニット５００を見た図。

符号の説明

１ プロジェクタ
１００，２００，３００，４００，５００ 光源ユニット
１０１ ライトパイプ
１０１ａ 内壁
１０２ ＬＥＤ
１０３，２０３，５０３ 絞りレンズ
１１０，５１０ 集光レンズ
１２０，５２０ 光変調素子
１３０ 結像レンズ
２０３ａ 絞りレンズ２０３の平行平板部
２０３ｂ 絞りレンズ２０３のレンズ部
３０３，４０３ 絞りプリズム
３０３ａ，４０３ｂ１ 絞りプリズムの頂角方向の面
４０３ａ 絞りプリズム４０３の平行平板部
４０３ｂ 絞りプリズム４０３のプリズム部
１０００ スクリーン
１００１ カラーホイール
１００２ 集光レンズ群
１００３ 内部全反射プリズム
１００４ ＤＭＤ素子
１００５ 結像レンズ群
ＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３，ＢＭ４，ＢＭ５，ＢＭ６，ＢＭ７，ＢＭ８，ＢＭ９，ＢＭ１０ 光束
ＥＮＴ 光入射面
ＥＸＴ 光出射面
ＬＡＸ２，ＬＡＸ３，ＬＡＸ４，ＬＡＸ５ 光軸
ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３ 光束通過孔
ＶＩ ＬＥＤ１０２の虚像

Claims (9)

1. 光入射面から入射する光を内壁面で反射し、前記光入射面と対向する光出射面から光を出射する中空のライトパイプと、
   そのライトパイプに光を入射するために、拡がり角ω２にて光を放射する固体光源と、
   前記光出射面から出射する光の拡がり角を前記拡がり角ω２よりも小さな拡がり角ω１以下にするために、前記固体光源から放射された光が前記光出射面に至るまでに通過する光通過経路の所定の位置に設けられる光学素子と、
   を備え、
   前記光学素子は、
   ０又は正の屈折力を有する中心部と、
   その中心部よりも大きな屈折力を有し、光軸方向と直交する方向において前記中 心部よりも外縁に位置する外縁部と、
   を含み、
   前記外縁部によって屈折された前記固体光源からの光の拡がり角ω０が｜ω０ ｜≦｜ω１｜を満たす前記固体光源からの距離ｓ１の位置に設けられる、
   ことを特徴とする光源ユニット。
2. 光入射面から入射する光を内壁面で反射し、前記光入射面と対向する光出射面から光を出射する中空のライトパイプと、
   そのライトパイプに光を入射するために、拡がり角ω２にて光を放射する固体光源と、
   前記光出射面から出射する光の拡がり角を前記拡がり角ω２よりも小さな拡がり角ω１以下にするために、前記ライトパイプ内部に設けられる光学素子と、
   を備え、
   前記光学素子は、
   ０又は正の屈折力を有する中心部と、
   その中心部よりも大きな屈折力を有し、光軸方向と直交する方向において前記中 心部よりも外縁に位置する外縁部と、
   を含み、
   前記外縁部によって屈折された前記固体光源からの光の拡がり角ω０が｜ω０ ｜≦｜ω１｜を満たす前記固体光源からの距離ｓ１の位置に設けられる、
   ことを特徴とする光源ユニット。
3. 前記光学素子は、凸レンズであり、
   前記屈折力は、前記中心部及び前記外縁部のそれぞれの焦点距離の逆数で表されるディオプターである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源ユニット。
4. 前記距離ｓ１は、前記外縁部の焦点距離に略等しい、
   ことを特徴する請求項３に記載の光源ユニット。
5. 前記中心部は、光軸を中心とした半径Ｒの領域であり、
   その半径Ｒは、Ｒ＝ｓ１×ｔａｎ（ω１）を満たす、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光源ユニット。
6. 前記中心部は、前記光学素子に設けられた貫通孔である、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
7. 前記中心部は、
   前記外縁部と一体に形成され、
   光が入射する第１の面と光が出射する第２の面とを有し、
   前記第１および第２の面が互いに対向するとともに光軸に直交する一対の平面である、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
8. 前記固体光源は、前記光入射面に密着して設けられる、
   ことを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の光源ユニット。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の光源ユニットと、
   光を変調して画像光を形成する光変調素子と、
   前記光源ユニットからの光を集光して前記光変調素子に入射させるための集光光学部と、
   前記画像光を被投影面に結像させるための結像光学部と、
   を備えることを特徴とするプロジェクタ。